Transcript nonferrous_heavy_alloys.ppt

Chapter 10
Nonferrous Heavy Alloys
1. The Superalloys
o Superalloys เป็ นกลุ่มของโลหะผสมที่ สามารถทนต่ อความ
ร้ อ น และทนต่ อ การกัด กร่ อ นได้ ดี สามารถใช้ ง านได้ ที่
อุณหภูมิสูง ประมาณ 1000 C มีการขยายตัวตามความ
ร้อนตา่ การใช้งานได้แก่
o อุตสาหกรรมเครือ่ งบิน และอากาศยาน ซึ่งมีการใช้มากที่สดุ
o อุตสาหกรรมเคมี และปิโตรเคมี
o อุตสาหกรรมทางทะเล
o อุตสาหกรรมไฟฟ้ าพลังงานความร้อน และนิวเคลียร์
ค.ศ. 1930-1940 นั น้ สหรัฐอเมริกามี ความต้ องการ
วัสดุที่สามารถทนความร้อนได้สูง (Heat resistant
materials)
เพื่อใช้ ในเครื่ องยนต์เทอร์ไ บน์ ของ
เครื่องบิน ซึ่งมีอณ
ุ หภูมิการใช้งานที่ 730-1370 C
1100 C
1100 C
650-980 C
760 C
ได้นาเอา Ni ซึ่งมีจดุ หลอมเหลว 1455 C มาผสม
กับ Cr ซึ่งมีจดุ หลอมเหลว 1875 C ในอัตราส่วน
80:20 เรียกว่า ‘Nicrome’ สามารถใช้งานที่อณ
ุ หภูมิ
สูงได้
จากนัน้ พบว่า เมื่อเราผสม Ti ลงใน Nicrome เพียง
0.3 wt % และ C ประมาณ 0.1% จะได้โลหะผสมที่
แข็งแรงขึน้ ซึ่งเรียกว่า ‘Nimonic 75’ เป็ นชนิดแรก
จากนัน้ จึงได้มีการพัฒนา Superalloy เรื่อยมา
Titanium
Nickel
Steel
Aluminium
Composites
คุณสมบัติเด่นของ Superalloys
สามารถคงรูปได้ ที่อุณหภูมิสูง ทัง้ นี้ เนื่ องมาจากมี
โครงสร้างผลึกแบบ FCC มีโครงสร้างจุลภาคเป็ น
Austenitic ซึ่ ง จ ะ มี ค ว า ม ต้ า น ท า น แ ร ง ดึ ง สู ง
ต้านทานการแตกหักสูง ต้านทานการเกิดการคืบสูง
กว่าเหล็กซึ่ งมีโครงสร้างผลึกแบบ BCC เพราะ
โครงสร้างแบบ FCC สามารถทาให้เกิด Precipitate
และ solid solution ได้สงู กว่า
Stress, ksi
100 hour rupture stress
For Nickel-base alloy
713C, IN-738, R’80, B-1900, In-100
100 hour rupture stress
For Cobalt-base alloy
HS-31, WI-52, FSX 414, Mar M 509
Temperature, F
Crystal
Metal
structure
Melting
point
C
Co
Ni
HCP
FCC
1495
1455
Fe
BCC
1538
Cr
BCC
1907
Thermal
Thermal
conductiv Phase
Density
Expansion
3
ity
g/cm
stability
m/mK
W/mK
8.90
13
100
2
8.90
13.4
90.9 1(most
stable)
7.74
11.8
80.4 4(least
stable)
7.20
4.9
93.9 3
ชนิดของ Superalloy
สามารถแบ่งได้เป็ น 3 ชนิดคือ
1. Ni-based Superalloys
2. Ni-Fe Superalloys
3. Co-based Superalloys
Ni-based Superalloys
จะมี Nickel เป็ นส่วนผสมธาตุหลัก โดยมีธาตุผสมอื่นๆที่
สาคัญ คือ
Cr จะมีปริมาณ 20 wt% มีประสิทธิภาพในการเพิ่ม
ความแข็งแรงโดยกลไก Solid solution hardening
Ti and Al มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความแข็งแรงที่
อุณหภูมิสูงโดยกลไก precipitation hardening จาก
การเกิดสารประกอบ Ni3(Al,Ti)
อื่นๆ เช่น Mo, Co, Nb and B
ปัจจุบนั Ni-based Superalloys มีอยู่ประมาณ 100
กว่าชนิด และที่ เป็ นที่ ร้จู กั และมีใช้ อย่างแพร่หลาย
ในอุตสาหกรรม คือ Inconel X-75, Rene 41 and
Nimonic 90 เป็ นต้น
Ni-Fe Superalloys
Superalloys ชนิดนี้ จะมี Nickel เป็ นส่วนผสมธาตุ
หลัก ประมาณ 25-60 wt% และ Fe 15-60 wt% โดย
ข้อดีของการผสมเหล็ก คือ ทาให้โลหะผสมชนิดนี้ มี
ราคาถูกลง แต่จะทาให้สามารถทนอุณหภูมิได้เพียง
650-850 C เท่านัน้
ธาตุผสมอื่นๆที่สาคัญ คือ
Cr ประมาณ 15-28 wt% เพื่อเพิ่มความต้านทานการ
กัดกร่อน
Mo ประมาณ 1-6 wt% เพื่อเพิ่มความแข็งแรงโดย
กลไก Solid solution hardening
การเพิ่มความแข็งแรงที่อณ
ุ หภูมิสงู ได้จากการเติม Ti
and Al เพื่อเกิดเป็ น สารประกอบ Ni3(Al,Ti)
Co-based Superalloys
จะมี Cobalt ที่มีจดุ หลอมเหลวประมาณ 1495 C เป็ น
ส่วนผสมธาตุหลัก ประมาณ 50 wt% และ Cr ประมาณ 25
wt% เป็ นหลัก
จะมีโครงสร้างผลึกแบบ FCC ความแข็งแรงที่อณ
ุ หภูมิสูง
ได้จากการละลายของ Cr ในโครงสร้าง รวมถึงการเกิด
Carbide ชนิดต่ างๆ ซึ่ งจะส่ งผลให้ มีความต้ านทานการ
กัดกร่อนที่อณ
ุ หภูมิสงู ที่ดีมาก
 โลหะผสมชนิดนี้ จะมีราคาแพง เหมาะกับการใช้งานที่อยู่
นิ่ง ไม่เคลื่อนที่
3. Heat Treatment of Superalloys
 Superalloys ที่ ผ่ า นการรี ด จะผ่ า นการอบ
Solution
treatment ที่อณ
ุ หภูมิประมาณ 1040-1230 C แล้วตามด้วย
Ageing ที่ อณ
ุ หภูมิตา่ และตามด้วย Ageing ที่ อณ
ุ หภูมิปาน
กลาง ประมาณ 760 C ทัง้ นี้ เพื่อวัตถุประสงค์ในการ
1. ลดขนาดเกรน
2. สร้า งสารประกอบที่ เ รี ย กว่ า  ในเนื้ อวัสดุ เพื่ อกี ดขวาง
การเคลื่อนที่ ของ dislocation ภายในเกรน เฟส  จะมี
โครงสร้างแบบ FCC และมีสูตรทางเคมีเป็ น A3B เช่ น
Ni3(Al,Ti), (Ni,Co)3(Al,Ti) เป็ นต้น
4. Manufacturing Process
งานผลิต Superalloys โดยทัวไปจะเป็
่
น การหล่อขึน้ รูป
1. หล่อแบบธรรมดา (Conventional casting)
2. หล่อแบบทิศทางเดียว (directional Solidification) จะมี
การควบคุ ม ทิ ศทางการถ่ า ยเทความร้ อ นเพื่ อ ให้ ไ ด้
โครงสร้างเกรนแบบ Columnar grain โดยการทาให้มีการ
เย็นตัวไปในทิศทางเดียว
การหล่อทิศทางเดียว จะดีกว่า หล่อแบบธรรมดา เพราะ
ลดความไม่สมา่ เสมอของขนาดเกรน และความไม่สมา่ เสมอ
ของความเข้มข้นของธาตุในโครงสร้าง
ลดการเกิดรูพรุนเนื่ องจากการหดตัว
ลดการเกิดสารประกอบที่มีขนาดใหญ่
ลดปริมาณ Precipitate ที่ขอบเกรน
ส่งผลให้โลหะผสม superalloys มีความแข็งแรงสูง มีความ
ต้านทานการล้า การคืบ สามารถรับแรงกระแทกได้สูงขึ้น
และเพิ่ ม ความต้ า นทานการกัด กร่ อ น เมื่ อ เที ย บกับ
ชิ้นงานที่ได้จากการหล่อแบบธรรมดา
Direct Chill Method
Adaptation of Stockbarger method
ข้อด้อยของการหล่อทิศทางเดียว คือ
1. ราคาแพง
2. ขนาดของ precipitate อาจจะไม่สมา่ เสมอ ได้
3. เนื่ องจากต้องใช้ระยะเวลาในการเย็นตัวนาน ดังนัน้
อาจจะเกิดการ Oxidation ได้ จึงต้องมีการป้ องกัน
4. ต้องมีการควบคุมกระบวนการอย่างใกล้ชิด
ดังนัน้ จึงได้มีการคิดค้น การหล่อแบบผลึกเดียว (Single
grain) ซึ่งจะทาให้โลหะผสมมีการกระจายของธาตุผสมที่
สมา่ เสมอในเกรน
โลหะผสมที่มีผลึกเดียว จะมีความต้านทานการกัดกร่อน
ที่สงู ขึน้ กาจัดปัญหารอยแตกระหว่างเกรน
 การหล่อแบบผลึกเดียว จะต้องมีการควบคุมให้อณ
ุ หภูมิ
เหมาะสม และโลหะผสมจะต้ องมีความบริสุทธ์ ิ สูง จึงจะ
ได้ผลึกเดี่ยวที่มีคณ
ุ ภาพสูง
วิธีการ
[001]
ชิ้นงาน
ทางเข้าของน้าโลหะ
ทาการหล่อในแบบหล่อที่มี
ทางเข้าเลี้ยวไปมา 3-4 ขัน้
เพื่อให้เกิดการเจริญเติบโต
ของผลึกในทิศทางที่ต้องการ
เท่านัน้
สุดท้ายให้เหลือเพียงผลึกที่มี
ทิศทางการเจริญเติบโตในทิศ
[001] เท่านัน้ ซึ่งเป็ นทิศที่ให้
สมบัติทางกลที่ดีที่สดุ
Creep Strain
Conventional
Uniform
equiaxed
Directional
Solidified
columnar
Single Crystal alloy
Time
5. Copper and Copper alloys
 Leaded red brasses เป็ นโลหะผสมของทองแดงที่มี
สังกะสี เป็ นธาตุผสมหลัก หรือเรียกทัวไปว่
่
า ทองเหลือง
ปริมาณของสังกะสีในทองเหลืองจะไม่เกิน 40%
 Leaded semi-red brasses มีปริมาณสังกะสีมากกว่า
ชนิดแรก ทาให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึน้
 Tin bronzes เป็ นโลหะผสมระหว่างทองแดงและดีบุก
หรือ “สาริด” จะมีปริมาณของดีบุกอยู่ประมาณ 10% เพื่อ
เพิ่มความแข็งแรง และความทนทานต่อการกัดกร่อน
่
Leaded tin bronzes เป็ น bronze ที่ มีตะกัวผสมอยู
่
มากกว่า 0.5% โดยน้าหนัก และมีนิกเกิล และ สังกะสี อยู่
เล็กน้ อย ตะกัวจะไม่
่
ละลายในทองแดง และจะอยู่ในรูป
ของตะกอนเม็ด กลม ท าให้ มี คุ ณ สมบัติ หล่ อ ลื่ น และ
รับภาระโดยที่ไม่มีสารหล่อลื่นได้
่
High-leaded tin bronzes เป็ น bronze ที่มีตะกัวผสมอยู
่
ในปริมาณที่สูง เพื่อเพิ่มคุณสมบัติในการกลึงและไส และ
ช่วยให้น้าโลหะไหลดีขึน้ ขณะหล่อ
อิทธิพลของธาตุผสม (Alloying element) ต่อ โลหะทองแดง
ผสม
Zinc สังกะสีเป็ นโลหะที่ มีราคาถูกสามารถเพิ่มความแข็งแรง
ให้ กบั ทองแดง โดยรวมกันเป็ นสารละลายของแข็ง หรือ Solidsolution strengthening
Zn สามารถละลายได้มากที่สดุ ใน Cu เท่ากับ 32.5% และแข็งตัว
ได้สารละลายของแข็งเฟสเดียวคือ -phase โลหะจะมีความ
เหนี ยวและแข็งแรงสูง
ถ้าปริมาณ Zn สูงกว่านี้ ความเหนี ยวจะลดลง เนื่ องจากจะมีเฟส
 เพิ่มขึน้
Tin ดีบุก เป็ นธาตุที่เติมเพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้กบั ทองแดง
โดยรวมกัน เป็ นสารละลายของแข็ง แต่ มี ป ระสิ ท ธิ ภ าพดี ก ว่า
สังกะสี และ เพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อน
โลหะทองแดงผสมดีบุกไม่เกิน 10% นี้ มีช่วงการแข็งตัวที่กว้าง
ทาให้เกิดการเย็นตัวแบบ non-equilibrium freezing เกิดการ
แยกตัวของส่วนผสม ทาให้เนื้ อของ -phase มีความเข้มข้น
ของดีบุกที่ไม่สมา่ เสมอ โดยที่ความเข้มข้นของดีบุกจะมีน้อย
ที่ สุ ด ตรงกลางและสู ง ขึ้ น เรื่ อ ยๆตามระยะรัศ มี ข องเฟส ซึ่ ง
เรียกว่าการเกิด coring
ในช่ วงสุดท้ ายของการแข็งตัว โลหะเหลวที่ เหลืออยู่ จะมีความ
เข้มข้นของดีบุกที่สูง และจะเกิดเป็ นเฟสเดลต้า -phase ซึ่งจะ
แข็ง และเปราะ มองเห็น เป็ นเฟสสี น้ า เงิ น เกิ ด ขึ้น บริ เ วณขอบ
เกรน
Lead ตะกัว่ ช่วยเพิ่มการไหลของน้ าทองเหลือง ทาให้
หลอมชิ้นงานได้ง่ายขึ้น และยังช่วยให้งานกลึงไสได้ง่าย
ขึน้ อย่างไรก็ตามถ้าตะกัวมี
่ มากเกินไปจะทาให้ strength
และ elongation ลดลงมาก
Other elements เช่น Aluminium Manganese Silicon
and Iron จะช่วยเพิ่ม strength ลดขนาดของเกรน เพิ่ม
ความต้านทานต่อการกัดกร่อน เชื่อมต่อกันได้ง่าย ปกติ
ปริมาณธาตุเหล่านี้ จะรวมกันระหว่าง 2-7%โดยน้าหนัก
Heat treatment of copper alloys
copper and most copper alloys are
homogeneous single phase
they are not susceptible to heat
treatment and their strength may be
altered only by cold working
There are two types of temper: Coldworked and Annealed.
Description
¼ hard
Half hard
¾ hard
Hard
Extra Hard
Spring
Extra Spring
% Reduction by cold work
Strip
Wire
10.9
20.7
20.7
37.1
29.4
50.0
37.1
60.5
50.0
75.0
60.5
84.4
68.7
90.2
Annealed temper
Grain size (mm)
0.015
0.025
0.035
0.050
0.100
Recommended for
Slight forming
Easy forming
Good drawing and
polishing
Heavy drawing
Severe draws
1) Copper-Zinc (brass) at
30%Zn70%Cu,
Slow cooling rate
 will allow the equilibrium structure: solid
solution α phase (fcc structure).
The α brass are soft and ductile (greater
ductility than pure copper) and capable for
cold work.
Annealed,
75x
Cu-Zn
LL
LL
Rapid cooling rate
will not allow the equilibrium structure.
The α phase will be rich in copper and the
last liquid will be rich in Zn and undergo a
Peritectic reaction: α +Lβ at grain
boundary.
2) Copper-Zinc (brass) at
40%Zn60%Cu,
Slow cooling rate:
 The liquid will solidified as
the equilibrium phase: α
+β
 β has bcc structure and
much stronger than the αphase and has a lower
ductility.
 This structure (α +β)
therefore is difficult to cold
work but can be hot work.


Typical precipitation hardening of copper-Beryllium alloy